水冷壁管是鍋爐的主要受熱部分，用于吸收爐膛中高溫燃燒產物的輻射熱量，也是實現鍋爐熱量傳遞與交換的最核心部件。由于鍋爐運行工況復雜，水冷壁管長期處于高壓水汽和高溫煙氣環境中，壁厚異常減薄給鍋爐的安全運行造成重大安全隱患，因此分析其減薄原因，并采取必要的預防措施，對鍋爐的安全運行至關重要。

     在對某電廠300MW亞臨界機組鍋爐進行防磨防爆檢查過程中，發現其大批量水冷壁管壁厚異常減薄，水冷壁管材料為SA-210C鋼，規格為63.5mm×7.5mm（外徑×壁厚）。研究人員采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）和能譜分析等方法對壁厚異常減薄原因進行分析，以消除該類安全隱患。

1、理化檢驗

1.1 宏觀觀察

      水冷壁管向火側外壁宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：水冷壁管向火側外壁有較多灰黑色的附著物，附著物厚度已超過1mm，附著物分為多層，最外層堅硬而易碎，多處附著物存在不同程度的剝離和脫離。

      水冷壁管橫截面宏觀形貌如圖2所示。水冷壁管未見明顯變形，背火側壁厚較為均勻，向火側壁厚不均勻，局部減薄非常明顯。對水冷壁管進行壁厚測量，實測水冷壁管背火側壁厚約為7.6mm，壁厚正常；向火側管壁減薄最嚴重位置的壁厚僅為4.5mm，減薄量僅有原壁厚的40%左右，不符合DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》中“鍋爐受熱面管壁厚應無明顯減薄”的要求。對于水冷壁、省煤器、低溫段過熱器和再熱器管，壁厚減薄量應不超過設計壁厚的30%。

1.2 化學成分分析

      在水冷壁管上截取試樣，采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：試樣材料的各元素含量均符合ASME SA-210/SA-210M—2023《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管子》對SA-210C 鋼的要求。

1.3 力學性能測試

      在水冷壁管背火側取樣，對試樣進行拉伸試驗及硬度測試，結果如表2所示。由表2可知：水冷壁管的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率及布氏硬度均符合ASME SA-210/SA-210M—2023的要求。

1.4 金相檢驗

      在水冷壁管上取樣，對試樣進行金相檢驗，結果如圖3所示。由圖3可知：水冷壁管向火側和背火側的組織形態無明顯差異，顯微組織為鐵素體+ 珠光體，晶粒度為10級，珠光體形態較為清晰，邊界模糊，晶界上開始有顆粒狀碳化物析出，珠光體球化級別為2級，球化程度較輕，未發現異常或明顯的過熱組織，向火側外表面殘留腐蝕附著物，最厚達1.16mm。

1.5 掃描電鏡及能譜分析

      對水冷壁管外壁附著物外表面、中間層、內表面進行掃描電鏡及能譜分析，結果如圖4~6所示。由圖4~6可知：水冷壁管外壁附著物外表面元素種類較多，含Fe、O、S、Zn、Si、Al、Ca、Mn等元素；附著物內表面元素種類較少，幾乎全部為Fe、O、S元素，應為水冷壁管母材的氧化腐蝕產物。

2、綜合分析

2.1 試驗結果分析

      該水冷壁管的化學成分、力學性能均符合ASME SA-210/SA-210M—2023對SA-210C鋼的要 求。水冷壁管管徑無明顯變形，向火側母材顯微組織中珠光體球化級別為2級，組織老化不明顯，這說明水冷壁管在運行過程中壁溫正常，無過熱現象。水冷壁管向火側存在不均勻減薄，外徑隨向火側壁厚減薄量的增加而減小，表明水冷壁向火側壁厚減薄為外壁腐蝕所致。水冷壁管外表面附著物堅硬且易碎，能譜分析結果表明附著物為鐵的氧化物和硫化物，從而判斷水冷壁管向火側發生的腐蝕形式為高溫硫腐蝕。

2.2 腐蝕原因分析

      高溫腐蝕與煤的種類有很大關系，煤中的硫元素和硫化物是形成腐蝕的主要原因，而煤的燃燒特性又是影響腐蝕速率的主要因素之一。鍋爐水冷壁腐蝕發生在不完全燃燒中形成的一氧化碳還原性氣氛中，同時有硫化氫存在，使水冷壁管發生硫化物型高溫腐蝕。煤中的黃鐵礦是引起硫化物型高溫腐蝕的主要原因，其反應機制如下所述。黃鐵礦粉末隨高溫煙氣到達水冷壁管附近，在還原性氣氛下黃鐵礦粉末受熱分解出自由原子硫和硫化亞鐵。當水冷壁管附件存在H2S和SO2時，也可能發生如下反應。

2H2S+SO2→2H2O+3S

      在還原性氣氛中，由于缺氧，硫原子可以獨立存在，當管壁溫度超過350℃時，會發生硫化反應。

Fe+S→FeS

      H2S還能和FeO作用，發生如下反應。

FeO+H2S→FeS+H2O

     FeS會繼續氧化生成Fe3O4，反應方程式為

3FeS+5O2→Fe3O4 +3SO2

      綜上所述，煤中硫元素含量高，未充分燃燒的煤粉沖刷水冷壁并形成局部還原性氣氛，在溫度較高的水冷壁產生高溫腐蝕。

3、 結論與建議

    （1）水冷壁管減薄的主要原因是硫化物型的高溫腐蝕。

    （2）水冷壁管產生高溫腐蝕的主要因素有水冷壁區還原性氣氛、水冷壁管壁溫、煤質品級及燃燒狀況等。

    （3）建議電廠加強對水冷壁管的監督檢查，重點關注歷史發生腐蝕部位，尤其是近期存在煤質波動、鍋爐運行調整等情況時，須利用臨停、檢修等機會增加割管頻次、擴大割管范圍，檢查相應管系的腐蝕情況，并根據腐蝕情況采取針對性處理措施，及時更換腐蝕減薄導致強度不足的管子，對易發生腐蝕減薄的區域采取加裝防護瓦或噴涂等防護措施。

    （4）建議電廠在煤質含硫量和水冷壁壁溫保持不變的情況下，通過燃燒調整優化，控制好氧元素含量，避免燃燒區域因局部缺氧而形成還原性氣氛，可以有效減少水冷壁硫化物型高溫腐蝕減薄現象的發生次數。

作者：高大偉

單位：中國大唐集團科技創新有限公司

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第6期